用于實(shí)時(shí)通信的模塊化5G蜂窩基站

整合了邊緣服務(wù)器且具有實(shí)時(shí)功能的5G蜂窩基站是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，它為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、重要基建等領(lǐng)域帶來(lái)了大量新機(jī)遇。不過(guò)，要在嚴(yán)苛的工廠和戶外環(huán)境下實(shí)現(xiàn)低延遲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，這些解決方案必須特別強(qiáng)化。為此，世界上首款用于空調(diào)數(shù)據(jù)中心以外環(huán)境，專門面向工業(yè)領(lǐng)域的COM-HPC服務(wù)器模塊終于問(wèn)世。制造業(yè)的數(shù)字轉(zhuǎn)型需要高速實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，但在所有地方都鋪上線纜顯然不符現(xiàn)況。因此，具有實(shí)時(shí)功能的5G標(biāo)準(zhǔn)成為了工業(yè)通信的一場(chǎng)革命，它能夠提供可靠的無(wú)線連接并實(shí)時(shí)處理海量數(shù)據(jù)，最重要的是，它的覆蓋范圍比WLAN更廣。由于固定和移動(dòng)設(shè)備都能使用5G網(wǎng)絡(luò)，也就可以將整個(gè)工廠都連上網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于這種應(yīng)用，5G可以管理高密度的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的迅速響應(yīng)并確保低延遲。憑借網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，5G還能創(chuàng)建多個(gè)獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，它們?cè)谶壿嬌嫌梢粋€(gè)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)隔離開來(lái)。最后，5G還能為云原生架構(gòu)奠定基礎(chǔ)，讓這些架構(gòu)通過(guò)5G邊緣計(jì)算，成為具有實(shí)時(shí)功能的霧服務(wù)器，與各種設(shè)備的無(wú)線通信。商用5G專網(wǎng)基建開通3.7到3.8GHz頻段為專網(wǎng)使用，這意味著5G可以在工業(yè)4.0環(huán)境的各種園區(qū)專網(wǎng)以及許多其它行業(yè)的關(guān)鍵基建中使用和運(yùn)營(yíng)。這些專網(wǎng)基建具有可擴(kuò)展性且5G可兼容舊移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)(預(yù)計(jì)也會(huì)兼容性后續(xù)的通信標(biāo)準(zhǔn)），這就確保了高投資的安全性。越來(lái)越多的公司因此部署了自己的5G專網(wǎng)，以運(yùn)行關(guān)鍵的商業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)。研究顯示，這一趨勢(shì)將在未來(lái)數(shù)年里加劇。?congatec圖1:工業(yè)5G基站可以運(yùn)行極其繁多的任務(wù)。服務(wù)器模塊擴(kuò)展了5G網(wǎng)絡(luò)和邊緣計(jì)算功能，使OEM能夠以低成本拓展小型基站(只比披薩盒大一點(diǎn))

的性能。當(dāng)然，企業(yè)也可以使用公用網(wǎng)絡(luò)，不過(guò)在鄉(xiāng)村地區(qū)，公用基站(即大型基站）使用700MHz帶寬來(lái)達(dá)到15-20千米的信號(hào)范圍，數(shù)據(jù)速率被限制在100到200MB/S。雖然這足以滿足一整個(gè)大型汽車廠的需要(例如大眾汽車在沃爾夫斯堡占地6平方千米的基地)，但單個(gè)5G基站的可用帶寬不足以讓整個(gè)工廠都聯(lián)網(wǎng)，這樣將占用全部的5G數(shù)據(jù)輸出帶寬，因此各企業(yè)才希望建立自己的專網(wǎng)。3.7到3.8GHz頻段的網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)最高100到200MB/S的上傳速度和200到1000MB/S的下載速度。不過(guò)，基站范圍被限制在視線可及的300米到3千米的程度。因此，工廠就需要多個(gè)基站。它們往往體積小巧，因此被稱為小型基站或蜂窩基站。小型基站的尺寸和披薩包裝盒(圖1)差不多。在沒(méi)有集成式邊緣服務(wù)器技術(shù)的情況下，蜂窩基站甚至更小，其尺寸和一本書差不多，可供私人購(gòu)買。可靠5G邊緣服務(wù)器技術(shù)開啟新的性能維度在這類應(yīng)用中，5G蜂窩背后的邊緣服務(wù)器設(shè)備最好以部署VNF(虛擬網(wǎng)絡(luò)功能）的方式，直接安裝在基站/RAN(無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)）設(shè)施上。如果對(duì)延遲要求不高，也可部署在設(shè)施的其它地方，例如微數(shù)據(jù)中心。建立共享硬件平臺(tái)的好處在于，邊緣云服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV）能在中央單元(CU）同時(shí)部署?；拘枰筛鞣N必要的硬件才能收發(fā)并處理5G信號(hào)，相當(dāng)于5G無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字基帶之間的實(shí)體接口。此外，各邊緣服務(wù)器功能所需的服務(wù)器性能要求也需要整合。由于各種應(yīng)用的功能需求差異很大，采用服務(wù)器模塊的模塊化設(shè)計(jì)方式就是最好的選擇。在此情況下，針對(duì)特定應(yīng)用的功能可在載板(圖2)上部署——例如帶有相應(yīng)擴(kuò)展模塊的5G無(wú)線電邏輯。圖2：定制載板甚至能被設(shè)計(jì)成燈柱里的5G基站。有了采用新PICMGCOM-HPC標(biāo)準(zhǔn)和新英特爾至強(qiáng)D處理器的服務(wù)器模塊，開發(fā)者就能在嚴(yán)苛環(huán)境下獲得此前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的性能等級(jí)。這些加固式的模塊可以在-40°C到+85°C的擴(kuò)展溫度內(nèi)運(yùn)行，具備長(zhǎng)期使用性，并且對(duì)電磁干擾和沖擊振動(dòng)有特殊的防護(hù)能力。為提供必要的性能，每個(gè)模塊提供最多20個(gè)核心、1TB內(nèi)存、8個(gè)速度達(dá)到2933MT/s的DRAM插槽、47個(gè)PCIe通道，其中的32個(gè)PCIeGen4通道具有雙倍數(shù)據(jù)吞吐量；以及高達(dá)100GbE網(wǎng)絡(luò)接口，并支持時(shí)序協(xié)調(diào)計(jì)算(TCC）和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN），可實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的實(shí)時(shí)通信。隨著新模塊的推出，未來(lái)的性能還有望大幅提升。不過(guò)，目前的性能完全可以滿足當(dāng)下的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需求，這些設(shè)計(jì)采用Open-RAN的解決方案，使用5個(gè)服務(wù)器處理器，用于回傳封包核心和中傳CU/DU服務(wù)器。不過(guò)，這些設(shè)計(jì)需要機(jī)架空調(diào)系統(tǒng)，且無(wú)法用于更廣的溫度范圍。通過(guò)將這些功能集成在單個(gè)蜂窩基站內(nèi)，只需要兩個(gè)虛擬模塊，就可建造性能較低但具有實(shí)時(shí)功能的小型5G基站。通過(guò)云原生虛擬化實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)確定性不過(guò)，要在單個(gè)邊緣服務(wù)器上獨(dú)立運(yùn)行不同的實(shí)時(shí)應(yīng)用，用戶就需要服務(wù)器平衡和整合服務(wù)。這兩者皆需要具有實(shí)時(shí)功能虛擬機(jī)的平臺(tái)支持，且能夠提供5G用戶通信所需的服務(wù)器功能。Real-TimeSystems的虛擬機(jī)監(jiān)控器(Hypervisor)是實(shí)現(xiàn)這一目的的理想選擇。這種虛擬化技術(shù)能夠讓企業(yè)利用自己的5G專網(wǎng)，透過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)服務(wù)器平臺(tái)上的異構(gòu)實(shí)時(shí)應(yīng)用。然后，企業(yè)就能夠分配專門的系統(tǒng)資源給具體的任務(wù)和進(jìn)程，確保它們的確定性?？导烟氐姆?wù)器模塊專門為此類應(yīng)用設(shè)計(jì)，它們能夠快速調(diào)節(jié)配置，以納入實(shí)時(shí)主機(jī)托管服務(wù)（不同的應(yīng)用可共享資源）所需的參數(shù)。這使工廠運(yùn)營(yíng)商能夠更高效地配置實(shí)時(shí)5G邊緣數(shù)據(jù)服務(wù)器，用于其生產(chǎn)設(shè)施中的機(jī)器自動(dòng)化、機(jī)器人控制或自動(dòng)物流等服務(wù)。這些新模塊的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們?cè)谔幚砥髂K中直接集成了原生TSN。如果5G核心邏輯也支持TSN(圖3)，這些模塊就能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)交換，以及從傳感器到云端的持續(xù)、透明的通信，例如將OPCUA作為公開的實(shí)時(shí)通信協(xié)議。5G互聯(lián)產(chǎn)業(yè)與自動(dòng)化聯(lián)盟（5G-ACIA）是由德國(guó)龍頭廠商協(xié)會(huì)ZVEI領(lǐng)導(dǎo)的工作小組。該小組正在制定QoS、網(wǎng)絡(luò)安全以及TSN集成方面的必要標(biāo)準(zhǔn)。這甚至能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)抖動(dòng)的實(shí)時(shí)同步通信，通信周期時(shí)間將被精確記錄，且能夠進(jìn)行100微秒到2毫秒之間的雙向同步。圖3:

只要5G基站支持TSN，它們就能運(yùn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用。將來(lái)，COM-HPC標(biāo)準(zhǔn)將擴(kuò)展至功能安全領(lǐng)域，支持該功能的模塊屆時(shí)可以作為無(wú)人駕駛內(nèi)部物流車輛

(拖車、貨車、叉車、流水線車輛或貨盤卡車）的中央控制器，也可用來(lái)協(xié)調(diào)協(xié)作機(jī)器人。提供預(yù)認(rèn)證的計(jì)算機(jī)模塊成為了可能，從而讓客戶更輕松快捷地實(shí)現(xiàn)新的安全類應(yīng)用。一體化解決方案：

用于5G蜂窩基站的COM-HPC服務(wù)器模塊新的COM-HPC服務(wù)器模塊從三個(gè)方面革新了邊緣服務(wù)器設(shè)計(jì)：一、加固式服務(wù)器設(shè)計(jì)，搭載新款英特爾至強(qiáng)D處理器，可裝在5G專網(wǎng)的蜂窩基站中，無(wú)需空調(diào)散熱。二、該設(shè)計(jì)也支持更廣的溫度范圍，使得它適用于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)環(huán)境以外的場(chǎng)景，包括建筑或農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的戶外和移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景。三、全球首款COM-HPC服務(wù)器模塊的性能和可擴(kuò)展性顯著提高，具有大幅擴(kuò)充的內(nèi)存帶寬、最多20個(gè)核心(圖4)和8個(gè)DRAM插槽。除了業(yè)界第一的記錄，它們還能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的確定性實(shí)時(shí)計(jì)算。這使得它們適用于一體化解決方案：帶有集成式邊緣服務(wù)器的定制5G基站。圖4：工業(yè)5G邊緣的服務(wù)器整合：最多20核心，可運(yùn)行各種5GNVF和工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用。對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)管理者來(lái)說(shuō)，新模塊還具有一系列針對(duì)特定用途的優(yōu)秀服務(wù)器功能：在關(guān)鍵商用設(shè)計(jì)方面，這些功能包括強(qiáng)大的硬件安全功能，例如IntelBootGuard、英特爾全內(nèi)存加密-Multi-Tenant(IntelTME-MT)

和英特爾SoftwareGuardExtensions(英特爾SGX)。全面的遠(yuǎn)程應(yīng)用服務(wù)器(RAS）功能支持遠(yuǎn)程硬件管理功能，例如IPMI和Redfish，且可通過(guò)PICMG規(guī)范來(lái)確保這些功能之間的互操作性。最后，康佳特還提供全面的個(gè)性化系統(tǒng)開發(fā)和定制服務(wù)，包括COM-HPC設(shè)計(jì)培訓(xùn)、個(gè)性化整合支持、定制載板設(shè)計(jì)的合規(guī)測(cè)試等。采用英特爾至強(qiáng)D處理器的服務(wù)器模塊應(yīng)用就緒的服務(wù)器模塊產(chǎn)品，包括根據(jù)處理器TDP而適配的加固式散熱方案。在軟件方面，新模塊全面支持Windows、Linux、VxWorks以及RTS虛擬機(jī)監(jiān)控器(Hypervisor)。它們支持英特爾至強(qiáng)D處理器系列的高核數(shù)(HCC)和低核數(shù)(LCC)，型號(hào)包括：HCC型號(hào)COM-HPCServer模塊

(conga-HPC/sILH)

，包括SizeD和可選SizeE，具有5個(gè)不同的英特爾至強(qiáng)D27xxHCC處理器，可選4到20核心，8個(gè)DIMM插槽，最大1TB2933MT/s的高速DDR4內(nèi)存(帶ECC功能)，32個(gè)PCIeGen4和16個(gè)PCIeGen3通道,以及100GbE吞吐量，實(shí)時(shí)2.5GB/s以太網(wǎng)(支持TSN/TCC)，處理器基礎(chǔ)功率為65到118W。LCC型號(hào)新款COM-HPCServerSizeD模塊和傳統(tǒng)的COMExpressType7模塊配備5個(gè)不同的英特爾至強(qiáng)D17xxLCC處理器，可選4到10核心。congaB7XlCOMExpres服務(wù)器模塊支持最大128GB的DDR42666MT/s內(nèi)存和3個(gè)SODIM插槽，co